Molekulárne aspekty evolúcie človeka Vladimír Ferák * Evolúcia cicavcov -- primátov -- ľudoopov -- hominíd * Molekulárne mechanizmy evolúcie * Dve hypotézy o evolúcii Homo sapiens * Využitie polymorfizmov DNA pri rekonštrukcii evolúcie H. sapiens * mtDNA a Y-DNA a hypotéza "out of Africa" * Rekonštrukcia osídľovania kontinentov z dát o mt a Y DNA * "Ancient DNA" - mtDNA neandertálca Molekulárna genetika a evolúcia Porovnávacia cytogenetika ľudoopov Evolúcia eukaryotického genómu Evolúcia génovou duplikáciou Duplikácia genómu (tetraploidizácia) Paralogické segmenty na ľudskom chr. 12 a 17 Organizácia HOX génových rodín u cicavcov a Amphioxus: dve genómové duplikácie? Evolúcia a sekvenčná homológia globínových génov Fylogenéza cicavcov: kombinácia molekulárnych a paleontologických dát Čím sa odlišujeme od myší? Čím sa odlišujeme od ľudoopov? Sekvenčná homológia medzi ortologickými sekvenciami človeka a ľudoopov Čím sa odlišujeme od ľudoopov? Molekulárne aspekty evolúcie druhu Homo sapiens * Mitochondriálna a Y chromozómová DNA a ich využitie pri rekonštrukcii evolúcie H. sapiens * mtDNA a Y-DNA a hypotéza "out of Africa" * Rekonštrukcia osídľovania kontinentov z dát o mt a Y-DNA * "Ancient DNA" - mtDNA neandertálca Nástroje štúdia evolúcie H.sapiens -mtDNA a Y-DNA * Nepodstupujú rekombináciu, polymorfizmy sú prenášané spolu a tvoria haplotyp so samostatnou históriou * Dedia sa uniparentálne, poskytujú možnosť sledovať individuálne maternálne/paternálne línie -- migrácie ľudských skupín * Mutačná rýchlosť ideálna pre relatívne krátku evolúciu moderného človeka, umožnuje datovanie recentných udalostí, napr. osídľovania kontinentov a populačných migrácií Prenos mtDNA, Y-chromozálnej DNA a autozomálnej DNA Koalescencia línií mtDNA a Y-DNA * Možno nájsť spoločného predka pre členov akejkoľvek populácie/taxónu * V každej generácii dôjde k zániku a naopak k zmnoženiu niektorých línií * Po čase v rovnovážnej populácii prevládne mt/Y DNA odvodené od jedného spoločného predka Štruktúra ľudskej mtDNA * Kódujúce oblasti - 93 % 37 tesne usporiadaných génov * Kontrolná oblasť - 7 % približne 1200bp hypervariabilné segmenty HVSI (CRS: np 16024-16383) a HVSII (np 57-372) Koalescencia mtDNA línií Markery mtDNA * SNP a indel polymorfizmy v kódujúcej oblasti (definujú haploskupinu) a v kontrolnej oblasti (HVSI a II -- definujú haplotyp) * Celková mutačná rýchlosť je asi 10x vyššia ako v jadrovej DNA, výrazne varíruje v rámci molekuly * Synonymické pozície a oblasti HVSI,II sa menia 5-10x rýchlejšie (1,4x10^-6/bp/gen.) ako nesynonymické np génových oblastí, tRNA a rRNA gény (3,4x10^-7/bp/generácia) Odhad veku mtDNA mutácie pomocou variability D-kľučky u jej nositeľov Vznik variability mtDNA (haplotypov) Haploskupiny mtDNA * 3 v Afrike (L1, L2, L3) * 7 v Ázii a Oceánii odvodené z ancestrálnej línie M: A, B, C, D, E, F, G * 9 v Európe, 7 hlavných, tzv. Eviných dcér: H - Helena, J - Jasmine, K - Katrine, T - Tara, U -- Ursula, V - Valda, X -- Xenia * 4 v Amerike: A, B, C, D -- relatívne recentné osídlenie z Ázie "Mitochondrial Eve"/ "out of Africa" Dve hypotézy o pôvode Homo sapiens 1. Mutliregionálna hypotéza 2. "Out of Africa" * spoločný predok všetkých dnešných ľudí žil v Afrike približne pred 150 000 rokmi * posledný spoločný predok pre africké a neafrické mtDNA Y-DNA žil pred asi 100 000 rokmi -- migrácia anatomicky moderných do Ázie a Európy pred cca 60 -- 40 tis. rokmi * nahradenie populácií H. erectus moderným H. sapiens afrického pôvodu Ľudský Y-chromozóm * 60 Mb dlhá lineárna molekula DNA * 95% predstavuje NRY/NRPY -- non-recombining region/portion of Y) * Heterochromatín: 6 rôznych typov sekvencii v tandemových zoskupeniach * Euchromatín: X-transponované, X-degenerované a amplikonické segmenty * 156 transkripčných jednotiek, 27 proteínových rodín (12 vo všetkých tkanivách, 11 špecifických pre testes) Markery na chromozóme Y Bialelické markery (binárne) * SNP, inzerčno-delečné polymorfizmy, vyskytli sa v evolúcii len raz -- definujú jednotlivé haploskupiny * Nízka mutačná rýchlosť (10^-8/báza/generácia) * Ancestrálne/odvodené štádium Multialelické markery * Mikrosatelity - STR polymorfizmy (menej ako 10bp) a minisatelity - VNTR polymorfizmy (10-100bp) * Vysoká mutačná rýchlosť (až 10^-4/ generáciu) * Počet opakovaní -- definuje haplotyp * stanovenie diverzity, odhad veku haploskupiny Laboratórne metódy klasifikácie mtDNA a Y-DNA * Homo neanderthalensis, v Európe žil pred približne 300 000 až 28 000 r. * spoločná koexistencia s anatomicky moderným H. sapiens trvala približne 30 000 rokov * mtDNA izolovaná fosílnych vzoriek neandertálcov vykazuje v D-kľučke mtDNA 3,5 - 7 % divergenciu oproti H. sapiens * nízka variabilita v rámci mtDNA neandertálcov napriek rôzne lokalizovaným a datovaným vzorkám * spoločný mtDNA predok H. sapiens a H. neanderthalensis žil približne pred 500 000 rokmi * zrejme nedochádzalo k vzájomnému kríženiu a teda neandertálec jebočnou vývojovou vetvou, ktorá nezanechala stopy v našom genofonde Distribúcia haploskupín mtDNA Rozšírenie hlavných línií (haploskupín) mtDNA Distribúcia haploskupín chromozómu Y Šírenie hlavných línií chromozómu Y z Afriky Osídlovanie kontinentov -- podľa mtDNA a Y-DNA Neolitické osídlenie Európy * väčšina mt a Y haploskupín je datovaných na 35 000 -- 50 000 BP, "mladšie" haploskupiny majú len asi 20 %-ný podiel v mtDNA a Y-DNA variabilite európskej populácii -- to sú haplotypy neolitického (a neskoršieho) pôvodu * neolitická migračná vlna predstavuje teda prevažne šírenie kultúry a spôsobu života (obrábanie pôdy, domestifikácia rastlín a zvierat), nie šírenie ľudí Haploskupiny mtDNA v slovenskej populácii Haploskupiny Y-DNA v slov. populácii * Najčastejšou haploskupinou je R1a, ktorá predstavuje aj najčastejšiu haploskupinu v Európe ako aj R1b (spolu 65%) * R1 (35-40 000 YBP; Aurignacién) * Haploskupina I -- 22 % - pôvod z oblasti Balkánu (22 000 YBP) * Haploskupiny J (resp. J2) a E3b, ktoré sa považujú za markery neolitickej expanzie dosahuje frekvenciu 9,88 % * N3 -- 3,04 % (severná a východná Európa) Závery zo štúdia mtDNA a Y-DNA * Relatívne recentný a monocentrický pôvod anatomicky moderných H. sapiens * H. neanderthalensis pravdepodobne nevstúpil do vývojovej línie človeka * Šírenie archeologických kultúr, resp. technológie, jazyka alebo etnicity nemusí vždy znamenať migráciu veľkých skupín jej nositeľov * Genetické vzdialenosti medzi populáciami korešpondujú viac s geografickými vzdialenosťami ako s lingvistickými, či etnickými * Slovenská populácia je typická stredoeurópska populácia s menšími genetickými vzdialenosťami k iným slovanským populáciám a ku geografickým susedom * Bolo pre mňa cťou prednášať genetiku v Mendelovom meste * Bolo pre mňa potešením spoznať sympatických študentov Prírodovedeckej fakulty Masarykovej univerzity, ktorým -- ďakujem za pozornosť, ktorú venovali mojej prednáške -- prajem príjemné prežitie blížiacich sa sviatkov -- želám veľa úspechov pri skúškach -- a v celom ďalšom profesijnom živote